雙波長輸出半導體激光器在干涉測量、光譜分析、干涉成像以及差頻太赫茲等領域有重要應用前景。垂直外腔面發(fā)射半導體激光器（Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser，VECSEL）結(jié)合了固體激光器高光束質(zhì)量和半導體激光器波長豐富的特點，可以同時實現(xiàn)高輸出功率、良好的光束質(zhì)量、大的覆蓋波長范圍等。同時，VECSEL擁有靈活的外腔腔型，可以通過在腔內(nèi)加入光學元件實現(xiàn)濾波及調(diào)諧、鎖模、倍頻等功能。近年來，采用VECSEL方案實現(xiàn)激光的雙波長輸出成為該領域研究的熱點。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，來自中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的張建偉教授團隊提出了一種采用單個增益芯片實現(xiàn)雙波長輸出的光泵浦垂直外腔面發(fā)射半導體激光器（VECSEL）。該VECSEL雙波長穩(wěn)定輸出時的最大激光功率可以達到560 mW，光斑在正交方向呈現(xiàn)對稱高斯形貌，正交方向發(fā)散角分別為6.68°和6.87°。相關研究成果已發(fā)表于《紅外與毫米波學報》期刊。

這項研究提出的VECSEL系統(tǒng)由泵浦激光、熱沉及控溫TEC、增益芯片和輸出耦合鏡組成。增益芯片發(fā)光區(qū)由兩組不同發(fā)光波長的量子阱組成，其中一組發(fā)光波長較短的量子阱采用吸收區(qū)泵浦的方式，另一組發(fā)光波長較長的量子阱采用阱內(nèi)泵浦方式。VECSEL工作時，增益芯片底部的熱沉溫度通過半導體制冷片TEC控制。

（a）雙波長VECSEL增益芯片外延結(jié)構(gòu)圖；（b）VECSEL增益芯片有源區(qū)能帶圖

VECSEL系統(tǒng)示意圖

在VECSEL工作時，吸收區(qū)泵浦的短波長量子阱率先激射，由于發(fā)光波長較長的量子阱對短波長量子阱的強度調(diào)制效應，此時可以觀察到兩種波長的光譜峰值強度隨時間周期性振蕩，采用高靈敏探測器觀察到VECSEL此時的輸出激光呈現(xiàn)出脈沖輸出形式。

隨著泵浦功率進一步增加，VECSEL的輸出激光呈現(xiàn)穩(wěn)定的雙波長輸出。在襯底溫度為-10℃時，實現(xiàn)了雙波長輸出最大功率達到了560 mW，激光波長分別在967.5 nm和969.8 nm。另外，采用提出的這種方案，在泵浦功率較低時，還可以實現(xiàn)VECSEL的脈沖調(diào)制現(xiàn)象。雙波長輸出VECSEL具有高斯對稱的光斑形貌，兩個正交方向上的激光發(fā)散角僅有6.68°和6.87°。

TEC控溫溫度為-10℃時，不同泵浦功率下VECSEL的激光光譜圖

在-10℃溫度下VECSEL在泵浦功率為5 W時的輸出遠場分布，插圖為輸出光斑二維彩圖

總而言之，這項研究提出了采用兩組不同發(fā)光波長的量子阱作為發(fā)光層的VECSEL增益芯片結(jié)構(gòu)，通過改變外部光學泵浦功率水平，實現(xiàn)了穩(wěn)定的雙波長輸出。這種新型增益芯片結(jié)構(gòu)將在實現(xiàn)雙波長激光以及光調(diào)制等應用中具有很好的發(fā)展前景。

審核編輯：劉清